Nota de aplicación | Desgaste por fretting
Evaluación del desgaste por fretting
Cómo la velocidad de oscilación y la temperatura aceleran el desgaste por fretting del acero inoxidable
Investigación y ensayos experimentales
Duanjie Li
Diseño visual y edición
Andrew Shore
Introducción
El fretting es un proceso de desgaste especial que se produce en la zona de contacto entre dos materiales bajo carga sometidos a un movimiento relativo mínimo por vibración u otra fuerza1. Cuando las máquinas funcionan, inevitablemente aparecen vibraciones en uniones atornilladas o con pasadores, entre componentes que no deberían moverse, y en acoplamientos oscilantes y rodamientos. La amplitud de este deslizamiento relativo suele ser del orden de micrómetros a milímetros. Este movimiento repetitivo de baja amplitud causa un grave desgaste mecánico localizado y transferencia de material en la superficie, lo que puede reducir la eficiencia de producción, disminuir el rendimiento de la máquina o incluso dañarla2.
Importancia de una evaluación cuantitativa del desgaste por fretting
El desgaste por fretting suele implicar varios mecanismos complejos en la superficie de contacto, como abrasión de dos cuerpos, adhesión y/o desgaste por fatiga de fretting. Para entender el mecanismo y seleccionar el mejor material de protección se necesita una evaluación fiable y cuantitativa. El comportamiento frente al fretting depende en gran medida del entorno de trabajo: amplitud de desplazamiento, carga normal, corrosión, temperatura, humedad y lubricación. Un tribómetro versátil, capaz de simular distintas condiciones reales de trabajo, es ideal para evaluar el desgaste por fretting.
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Objetivo de la medición
En este estudio evaluamos el comportamiento frente al desgaste por fretting de una muestra de acero inoxidable SS304 a distintas velocidades de oscilación y temperaturas, para mostrar la capacidad del tribómetro NANOVEA T50 de simular el proceso de desgaste por fretting de metales de forma bien controlada y supervisada.
NANOVEA T50 Compact
Tribómetro de pesas
Condiciones de ensayo
La resistencia al desgaste por fretting de una muestra de acero inoxidable SS304 se evaluó con el tribómetro NANOVEA y su módulo de desgaste reciprocante lineal. Se usó una bola de WC (6 mm de diámetro) como contraparte. La huella de desgaste se examinó con un perfilómetro 3D sin contacto NANOVEA.
El ensayo de fretting se realizó a temperatura ambiente (TA) y a 200 °C para estudiar el efecto de la alta temperatura en la resistencia al fretting del SS304; una placa calefactora sobre la platina calentó la muestra durante el ensayo a 200 °C. La tasa de desgaste K se calculó con la fórmula K = V/(F × s), donde V es el volumen desgastado, F la carga normal y s la distancia de deslizamiento.
En este estudio se usó una bola de WC como ejemplo de contraparte. Cualquier material sólido, con distintas formas y acabados superficiales, puede montarse con un accesorio a medida para simular la situación real de aplicación.
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Descripción de la muestra | SS304 pulido |
| Fuerza normal | 10 N |
| Amplitud | 2 mm |
| Velocidad | 100 o 1000 ciclos/min |
| Temperatura | Temperatura ambiente (TA) o 200 °C |
| Duración del ensayo | 20,000 revoluciones |
| Contraparte | Bola de WC, 6 mm de diámetro |
Tabla 1: parámetros de ensayo de las mediciones de desgaste.
Resultados y discusión
El perfil 3D de la huella de desgaste permite determinar de forma directa y precisa la pérdida de volumen, calculada con el software de análisis NANOVEA Mountains.
El ensayo de desgaste reciprocante a baja velocidad, 100 rpm, y a temperatura ambiente presenta una pequeña huella de 0,014 mm³. En comparación, el ensayo de fretting a alta velocidad, 1000 rpm, crea una huella mucho mayor, con un volumen de 0,122 mm³. Esta aceleración del desgaste puede atribuirse al calor elevado y la vibración intensa generados durante el ensayo de fretting, que favorecen la oxidación de los residuos metálicos y provocan una abrasión severa de tres cuerpos. El ensayo de fretting a 200 °C forma una huella aún mayor, de 0,269 mm³.
El ensayo de fretting a 1000 rpm tiene una tasa de desgaste de 1,5 × 10−4 mm³/N m, casi nueve veces la del ensayo reciprocante a 100 rpm. A temperatura elevada, la tasa de desgaste se acelera aún más hasta 3,4 × 10−4 mm³/N m. Una diferencia tan grande de resistencia al desgaste a distintas velocidades y temperaturas muestra la importancia de simular correctamente el fretting para aplicaciones reales.
El comportamiento frente al desgaste puede cambiar drásticamente con pequeños cambios en las condiciones de ensayo del tribosistema. La versatilidad del tribómetro NANOVEA permite medir el desgaste en diversas condiciones, como alta temperatura, lubricación y corrosión. El control preciso de velocidad y posición del motor avanzado permite ensayos de desgaste de 0,001 a 5000 rpm, lo que lo convierte en una herramienta ideal para laboratorios de investigación y ensayo que estudian el fretting en distintas condiciones tribológicas.
| Condición de ensayo | Profundidad de desgaste (µm) | Volumen de desgaste (mm³) | Tasa de desgaste (mm³/N m) |
|---|---|---|---|
| 100 rpm, TA | 24 | 0.014 | 1.7 × 10⁻⁵ |
| 1000 rpm, TA | 79 | 0.122 | 1.5 × 10⁻⁴ |
| 1000 rpm, 200 °C | 130 | 0.269 | 3.4 × 10⁻⁴ |
Tabla 2: resumen de las huellas de desgaste medidas con distintos parámetros de ensayo.
Conclusión
En este estudio mostramos la capacidad del tribómetro NANOVEA para evaluar el comportamiento frente al desgaste por fretting de una muestra de acero inoxidable SS304 de forma bien controlada y cuantitativa. La velocidad y la temperatura de ensayo desempeñan un papel decisivo en la resistencia del material al fretting. El calor elevado y la vibración intensa durante el fretting aceleraron el desgaste del SS304 casi nueve veces, y la temperatura de 200 °C elevó aún más la tasa de desgaste hasta 3,4 × 10−4 mm³/N m.
Su versatilidad hace del tribómetro NANOVEA una herramienta ideal para medir el desgaste por fretting en diversas condiciones, como alta temperatura, lubricación y corrosión. Los tribómetros NANOVEA ofrecen ensayos de desgaste y fricción precisos y repetibles en modos rotativo y lineal conformes con ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión en un único sistema preintegrado.
Referencias
1. Lampman, S. R., ASM Handbook, Volume 19: Fatigue and Fracture.
2. Fretting wear, Machinery Lubrication, machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear.
Preguntas frecuentes sobre los ensayos de desgaste por fretting
¿Qué es el desgaste por fretting?
Un proceso de desgaste en el contacto entre dos materiales cargados sometidos a un movimiento relativo mínimo por vibraciones u otras fuerzas, normalmente con amplitudes de micrómetros a milímetros, en uniones atornilladas o con pasadores, acoplamientos oscilantes y rodamientos.
¿Por qué es difícil predecir el desgaste por fretting?
Combina varios mecanismos, abrasión de dos cuerpos, adhesión y fatiga por fretting, y depende mucho de la amplitud de desplazamiento, la carga normal, la corrosión, la temperatura, la humedad y la lubricación.
¿Cómo se simuló el fretting?
Desgaste reciprocante lineal de SS304 pulido contra una bola de WC de 6 mm bajo 10 N con una amplitud de 2 mm durante 20,000 ciclos, a 100 o 1000 ciclos/min y a temperatura ambiente o a 200 °C sobre una placa calefactora.
¿Cuánto cambió el desgaste con la velocidad?
El volumen de desgaste pasó de 0,014 mm³ a 100 ciclos/min a 0,122 mm³ a 1000 ciclos/min, y la tasa de desgaste de 1,7 × 10⁻⁵ a 1,5 × 10⁻⁴ mm³/N m, casi nueve veces más, lo que se atribuye al calor y la vibración que favorecen residuos oxidados y la abrasión de tres cuerpos.
¿Qué añadió la temperatura?
A 200 °C y 1000 ciclos/min la huella alcanzó 130 µm de profundidad y 0,269 mm³, con una tasa de desgaste de 3,4 × 10⁻⁴ mm³/N m.
¿Se pueden reproducir las condiciones reales de los componentes?
Sí. Cualquier material de contraparte y forma puede montarse con un accesorio a medida, y los ensayos pueden realizarse de 0,001 a 5000 rpm con alta temperatura, lubricación o corrosión.
